Impianti MBBR pur

I reattori a letto mobile puri sono stati applicati per molteplici obiettivi di trattamento delle acque reflue. Si tratta per lo più di configurazioni destinate alla rimozione dell’azoto che implementano quindi la nitrificazione e la denitrificazione.

Non mancano applicazioni rivolte alla rimozione del carbonio, soprattutto nel caso di pre-trattamento ad alto carico, come sgrossatura prima di altri trattamenti secondari o nell’upgrading di impianti sovraccaricati.

Le configurazioni principali realizzabili per gli impianti a letto mobile sono quelle per la rimozione dei substrati carboniosi, quelle per la nitrificazione e quelle per la denitrificazione. In figura 2.18 si indicano i diversi comparti costituenti gli impianti di tipo MBBR.

Configurazioni per la rimozione dei substrati carboniosi

Per la rimozione della sostanza organica nei reattori a letto mobile si prevedono generalmente uno o due stadi in serie, come schematizzato in figura 2.19.

Figura 2.19. Configurazione a due stadi per la rimozione della sostanza organica

La funzione dei due stadi è quella di ottenere un alto rendimento di abbattimento nel primo stadio che opera ad alto carico, ed un affinamento invece nel secondo, che opera più basso carico. Nel primo stadio di ha un abbattimento rapido del COD solubile velocemente biodegradabile, mentre nel secondo si ha il completamento della rimozione dei substrati lentamente biodegradabili che richiedono una preventiva idrolisi.

Può essere utile disporre, a monte del reattore a letto mobile, una sedimentazione primaria per rimuovere i solidi sospesi sedimentabili e, quindi, abbassare il contenuto di sostanza organica che raggiunge il reattore MBBR, con una conseguente riduzione dei volumi occupati. Se la produzione di fanghi primari ad alta putrescibilità causasse difficoltà gestionali nella linea fanghi, la sedimentazione può essere sostituita da uno staccio a maglia fine. La configurazione a due stadi è applicata soprattutto a reflui industriali caratterizzati da un elevato contenuto organico e da bassa presenza di nutrienti, più rara è invece l’applicazione di questo schema a reflui civili che devono subire trattamenti di nitrificazione e/o di denitrificazione.

La configurazione ad uno stadio, indicata in figura 2.20, è applicata soprattutto come pretrattamento ad alto carico a monte di un comparto a fanghi attivi. E’ utilizzata nel caso di impianti a fanghi attivi preesistenti, che devono essere potenziati. Il pre-trattamento ad alto carico permette di rimuovere gran parte della sostanza organica, consentendo una diminuzione

del carico del fango nel comparto a fanghi attivi, che in questo modo può raggiungere le condizioni per far avvenire la nitrificazione. Anche in questo caso la sedimentazione primaria può essere presente oppure sostituita da una stacciatura fine. Come rappresentato in figura 2.20, può essere presente o meno la sedimentazione intermedia tra reattore MBBR e fanghi attivi. Tale unità di sedimentazione va inserita se non si vuole influenzare l’età del fango del comparto a fanghi attivi; infatti se nel reattore a fanghi attivi vengono immesse le pellicole di spoglio del reattore MBBR, si ha una maggiore produzione di fanghi di supero, che dovranno essere estratti con maggiore frequenza, portando ad una diminuzione dell’età del fango. D’altra parte, il vantaggio di non avere la sedimentazione intermedia è costituito principalmente dalla riduzione dei costi di investimento.

Nel trattamento delle acque reflue ad alto carico mediante sistemi MBBR si possono ottenere buoni rendimenti di rimozione con basso tempo di ritenzione idraulico; si potrebbero avere però potenziali problemi nella separazione delle pellicole di spoglio nell’unità di sedimentazione secondaria. Per risolvere questo problema può essere necessario favorire la sedimentabilità dei solidi sospesi con l’aggiunta di coagulanti quali sali di alluminio o di ferro.

Figura 2.20. Configurazione ad uno stadio per il pre-trattamento ad alto carico a monte di un comparto a fanghi attivi: (A) senza sedimentazione intermedia; (B) con sedimentazione intermedia.

Configurazioni per la nitrificazione

I sistemi a letto mobile sono stati vantaggiosamente applicati per ottenere la nitrificazione. Per ottenere buoni rendimenti di nitrificazione nei sistemi a biomassa adesa è necessaria una preliminare rimozione della sostanza organica per evitare competizioni tra batteri eterotrofi e nitrificanti nell’utilizzo dell’ossigeno. L’abbattimento della sostanza organica può essere ottenuta predisponendo a monte del reattore di nitrificazione una precipitazione chimica (Figura 2.21) oppure uno stadio MBBR ad alto carico. L’aggiunta di reattivi a base di ferro e alluminio favorisce la flocculazione nell’unità di sedimentazione primaria e quindi una maggiore rimozione della sostanza organica. Per realizzare la nitrificazione sono sufficienti due stadi MBBR: il primo per completare la rimozione della sostanza organica, in particolare il COD solubile che non è stato rimosso nella sedimentazione primaria, ed il secondo per la nitrificazione.

Figura 2.21. Configurazione per la nitrificazione con precipitazione chimica a monte

Nel caso in cui non sia prevista l’aggiunta di reattivi a monte della sedimentazione primaria, per ottenere una buona nitrificazione, si può realizzare un sistema a letto mobile con tre stadi, dei quali il primo, ad alto carico, ha la funzione di rimuovere la sostanza organica, il secondo ne completa la rimozione, mentre nel terzo avviene la nitrificazione. Lo schema di tale configurazione è indicato in figura 2.22.

Una configurazione di questo tipo viene detta multi-stadio. Ogni reattore si specializza per una determinata funzione di trattamento; ad esempio nel primo reattore saranno presenti esclusivamente batteri eterotrofi, mentre nell’ultimo saranno presenti prevalentemente i batteri nitrificanti.

Un’ulteriore configurazione utilizzata per i trattamenti di nitrificazione è rappresentata da reattori a letto mobile posti a valle di un impianto a fanghi attivi. In tal caso si tratta di trattamenti per la nitrificazione terziaria, che risultano abbastanza vantaggiosi nel caso si debbano operare upgrading di impianti esistenti sovraccaricati e non più in grado di garantire la nitrificazione del liquame effluente. Lo schema di questa configurazione è indicato in figura 2.23, in cui si può osservare che i reattori a letto mobile, utilizzati per la post-nitrificazione sono due, ma può essere prevista anche una configurazione in cui sia presente un solo reattore MBBR.

Figura 2.23. Configurazione per la post-nitrificazione con reattori MBBR

In configurazioni di questo tipo non si hanno competizioni tra i diversi tipi di batteri, come ad esempio i batteri eterotrofi ed autotrofi, di conseguenza si ottengono le massime velocità di nitrificazione. In figura 2.23 si può osservare che a valle dei reattori di post-nitrificazione si ha un’unità di filtrazione; tranne nel caso in cui si abbiano limiti allo scarico molto restrittivi, questa unità può anche essere evitata, grazie alle bassa concentrazione di solidi prodotti nel reattore a letto mobile nitrificante, che è compatibile, di solito, con i limiti di legge e ciò consente quasi sempre di evitare la realizzazione dell’unità di sedimentazione secondaria.

Configurazioni per la denitrificazione

Le configurazioni dei sistemi a letto mobile per la denitrificazione possono essere realizzati con diverse soluzioni impiantistiche, ad esempio:

ƒ Pre-denitrificazione; ƒ Post-denitrificazione;

ƒ Denitrificazione combinata.

Lo schema con il quale si può ottenere la pre-denitrificazione, indicato in figura 2.24, prevede l’installazione dell’unità di sedimentazione primaria che da una parte realizza la rimozione di gran parte dei solidi sospesi che potrebbero causare l’intasamento sia dei supporti che delle griglie, con i noti problemi già descritti, e dall’altra realizza la rimozione di buona parte della sostanza organica, utile per il processo di denitrificazione che dovrà avvenire nel reattore biologico.

Figura 2.24. Configurazione di reattori MBBR per la pre-denitrificazione

Tuttavia gli schemi di pre-denitrificazione con reattori a letto mobile non permettono di raggiungere elevati rendimenti di rimozione dell’azoto per due motivi principali:

1. la quantità di sostanza organica rapidamente biodegradabile presente nel refluo influente nel reattore a letto mobile potrebbe essere insufficiente per supportare pienamente il processo di denitrificazione, anche perché l’idrolisi dei substrati particolati richiede tempi piuttosto lunghi e quindi non compatibili con i tempi di ritenzione idraulica nei comparti biologici dei reattori a letto mobili.

2. effettuando il ricircolo, soprattutto se in quantità elevata, dei liquami a valle dei comparti di nitrificazione, si potrebbe causare il

peggioramento della capacità di denitrificazione, dovuto alle competizioni legate all’assorbimento degli elettroni tra l’ossigeno presente ed i nitrati.

Maggiori velocità di denitrificazione si possono ottenere, in genere, con lo schema di post-denitrificazione ed aggiunta di substrati carboniosi esterni, quali etanolo, acetato o metanolo (quest’ultimo è quello più spesso utilizzato in quanto ha un costo più competitivo), come indicato in figura 2.25.

Figura 2.25. Configurazione per la post-denitrificazione con reattori MBBR

Una configurazione di questo tipo, nonostante comporti un aumento dei costi legato all’aggiunta del substrato esterno, offre importanti vantaggi quali: ƒ controllo ottimale del processo e delle caratteristiche del liquame

effluente, avendo cioè la possibilità di controllare le concentrazioni di azoto totale.

ƒ Minimizzazione dei volumi dei reattori, che risultano minori anche del 40-50% rispetto ai reattori impiegati nelle configurazioni di pre- denitrificazione, risparmiando così nei costi di investimento sia delle opere civili che dei mezzi di riempimento.

Per ovviare allo svantaggio delle configurazioni di post-denitrificazione che, come già detto, è legato ai costi dei substrati carboniosi esterni da aggiungere, si può adottare una configurazione in cui avviene la denitrificazione combinata (pre- e post-denitrificazione), indicata in figura 2.26, che permette di ottimizzare i consumi di carbonio. In tal modo si può sfruttare la parte di substrato rapidamente biodegradabile presente nel liquame in ingresso ottimizzando, mediante la post-denitrificazione, l’efficienza di

rimozione dell’azoto totale, dosando l’aggiunta dei substrati carboniosi esterni in funzione delle concentrazioni residue di nitrati.

Figura 2.26. Configurazione per la denitrificazione combinata con reattori MBBR

Tale configurazione permette di realizzare impianti molto flessibili sfruttando i vantaggi offerti dalle due configurazioni di pre e post denitrificazione; infatti oltre al risparmio legato al minor dosaggio di substrato carbonioso esterno nella post-denitrificazione sostituito con il carbonio rapidamente biodegradabile presente nel refluo in ingresso, permette di lavorare con basse portate di ricircolo della miscela aerata, minimizzando l’apporto di ossigeno nel comparto di denitrificazione. La concentrazione di nitrati residua non rimossa nella pre-denitrificazione verrà rimossa nel comparto finale di post-denitrificazione, dove l’aumento della cinetica di rimozione che si può ottenere con l’aggiunta di un substrato esterno rapidamente biodegradabile, permette una riduzione dei volumi.

Nel caso in cui si deve effettuare un intervento di upgrading di un impianto esistente in cui si vuole ottenere una rimozione dell’azoto, avendo già un buon livello di nitrificazione, si può adottare una configurazione di post-denitrificazione che prevede l’installazione di un reattore MBBR a valle dell’unità di sedimentazione secondaria, prevedendo l’aggiunta di substrato carbonioso esterno come indicato in figura 2.27.

Figura 2.27. Configurazione per la post-denitrificazione con reattore MBBR a valle di un comparto a fanghi attivi